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船用低速柴油机活塞冷却与热机耦合分析
| 论文题名： | 船用低速柴油机活塞冷却与热机耦合分析 |
| 关键词： | 两相流;船用低速柴油机;活塞冷却;热机耦合分析 |
| 摘要： | 作为组成柴油机重要的运动部件之一，活塞在整机工作过程中承受着极高的机械负荷与热负荷。活塞的合理冷却是降低活塞热负荷的重要方面，国内已有较多学者针对环形冷却腔活塞的振荡冷却有所研究和突破，然而对于低速柴油机活塞的复杂冷却腔冷却问题却少有研究。要想对活塞进行更为合理的设计与改进，必须要考虑多方面问题充分分析其冷却特点与结构特点。 本文针对某船用低速柴油机活塞，运用 CFD软件分析其产生振荡冷却的条件与冷却腔内冷却机油的流动分布特点，计算了活塞冷却腔壁面瞬态对流换热系数。运用有限元分析软件对该活塞进行瞬态温度场计算，并对其最恶劣状态进行有限元接触分析。具体内容如下： （1）通过参考书籍文献，分析各类船用低速柴油机活塞的冷却方法与冷却特点。 （2）采用CFD软件Fluent对活塞冷却腔流域进行分析与模拟。采用VOF两相流模型与k-ε湍流模型模拟二维流域瞬态流动状态，通过动量源项的加载以及Fluent动网格两种方法模拟活塞流域冷却介质的振荡，证明流域介质振荡模拟的正确性。采用VOF两相流模型与k-ε湍流模型模拟三维流域瞬态流动状态，分析该冷却腔产生振荡冷却的条件。模拟冷却腔入口速度条件并通过 UDF的方式加载为冷却腔入口边界条件，分析曲轴一个旋转周期的冷却腔内介质流动特点。采用VOF两相流模型与SST k-ω湍流模型，通过分别模拟冷却腔三种不同入口速度条件定量计算获取冷却腔重要冷却面平均对流换热系数随曲轴转角的变化。通过以上计算，分析某低速柴油机活塞的冷却特点，获得活塞冷却腔瞬态对流换热系数。 （3）建立活塞热-机耦合模型，采用有限元分析方法对某低速柴油机活塞进行温度场以及应力场的精细分析。采用稳态以及瞬态分析方法分析活塞温度分布与温度变化，采用有限元接触分析的方法分析活塞组件冷装配工况的应力分布情况，并选取活塞最恶劣的受力状态对活塞组件的热应力、机械应力以及热-机耦合应力进行有限元接触分析。得出热负荷使活塞产生应力集中，机械负荷使活塞产生疲劳的活塞受力特点。通过对活塞变形的分析得出活塞热应力主要使活塞产生径向变形，缸内爆发压力主要使活塞产生轴向变形的特点。 |
| 作者： | 周晓燕 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 李晓波 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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